Формы для литья под давлением — это инструменты, используемые для производства пластиковых изделий. Перед проектированием формы необходимо тщательно понимать и освоить свойства пластмасс. Только хорошо изучив процесс формования пластмасс, можно точно контролировать размеры формы и пластмассовых изделий, обеспечивая проектирование высококачественных форм.
1.1 Пластики, их преимущества и недостатки
1.1.1 Что такое пластик?
Согласно национальному стандарту (GB/T2035-2008), пластик определяется как полимерный искусственный материал, состоящий в основном из синтетических органических смол с добавлением или без добавления других компаундирующих материалов (добавок). Обычно его можно формовать в изделия определенной формы под воздействием тепла и давления, и эта форма остается неизменной при комнатной температуре.
Некоторые смолы, такие как полиэтилен, полистирол и нейлон, могут быть напрямую использованы в качестве пластика. Однако большинство смол, таких как фенольная смола, амино-смолы и поливинилхлорид, требуют добавления определенных добавок, прежде чем их можно будет использовать в качестве пластика.
Пластики имеют широкий спектр применения, и их продукция демонстрирует большое разнообразие. Существует много типов пластиков, каждый из которых обладает различными свойствами. Пластики могут существовать в стекловидном, эластомерном и вязкотекучем состоянии. Обычно их формуют с помощью форм, используя стандартные методы формования, включая литье под давлением, экструзионное формование, выдувное формование, компрессионное формование и трансферное формование.
1.1.2 Преимущества пластика
К преимуществам пластмасс относятся:
1. Простота обработки и формования, подходит для полностью автоматизированного массового производства при низких затратах.
Пластики можно формовать в изделия даже со сложными геометрическими формами, а их производственная эффективность намного превосходит эффективность обработки металла. Особенно это касается литьевых пластиковых изделий, даже очень сложные изделия можно производить за один этап.
Благодаря простоте обработки и возможности массового производства при относительно низких затратах на оборудование изделия из пластика являются экономически эффективными.
2. Настраиваемые цвета и прозрачные изделия
Пластик можно легко окрашивать, создавая яркие, красочные или прозрачные изделия. смешивание различных пластиковТакже возможно изготовление изделий с перламутровым эффектом, что значительно повышает их добавленную стоимость и придает им свежий, яркий вид.
3. Легкий вес при высокой удельной прочности
Большинство пластиков имеют плотность, сравнимую с плотностью воды, около 1,0 г/см3. По сравнению с металлами и керамикой они легкие. Хотя механическая прочность пластиков не такая высокая, как у металлов или керамики, их удельная прочность (соотношение прочности к плотности) относительно высока, что позволяет производить легкие, высокопрочные изделия. Кроме того, наполнение пластиков стекловолокном может значительно повысить их прочность и износостойкость.
4. Нержавеющий и устойчивый к коррозии
Пластики не ржавеют как металлы и не корродируют при воздействии химикатов. Они устойчивы к кислотам, щелочам, солям, маслам, химикатам, влажности и плесени, что делает их очень долговечными в различных средах.
5. Низкая теплопроводность и отличная изоляция
Пластики имеют высокую удельную теплоемкость и низкую теплопроводность, что делает их плохими проводниками тепла. В результате они обеспечивают отличную теплоизоляцию и сохранение тепла.
6. Подходит для токопроводящих и изолирующих применений.
Пластики по своей природе являются хорошими изоляционными материалами. Сегодня практически нет ни одного электрического компонента, в котором не использовались бы пластмассы. Заполняя пластмассы металлическими порошками или фрагментами, можно также изготавливать проводящие изделия с превосходными характеристиками.
7. Превосходное поглощение ударов, шумоподавление и светопропускание
Пластики обладают отличными свойствами поглощения ударов и снижения шума. Прозрачные пластики (например, PMMA, PS, PC) могут производить точные изделия, такие как линзы, вывески и крышки.
1.1.3 Недостатки пластика
К недостаткам пластмасс относятся:
1. Плохая термостойкость и воспламеняемость: самые существенные недостатки пластиков. По сравнению с металлами и керамикой их термостойкость намного ниже; они деформируются при несколько более высоких температурах и склонны к возгоранию. Большинство пластиков могут выделять тепло, дым и токсичные газы при горении. Даже термореактивные смолы будут выделять дым и начнут расслаиваться при превышении 200°C.
2. Свойства изменяются при изменении температуры. Различные свойства пластмасс могут изменяться не только при высоких, но и при низких температурах.
3. Низкая механическая прочность По сравнению с металлами того же объема, пластмассы имеют гораздо более низкую механическую прочность. Эта разница особенно заметна в тонкостенных пластиковых изделиях.
4. Подвержены коррозии под воздействием определенных растворителей и химикатов. Как правило, химикаты не так легко разъедают пластик. Однако некоторые пластики, такие как ПК (поликарбонат), АБС и ПС (полистирол), легко разрушаются под воздействием определенных растворителей и химикатов и обладают слабой устойчивостью. В целом, термореактивные смолы работают лучше и менее подвержены коррозии.
5. Плохая устойчивость к погодным условиям и старение Пластики не долговечны по прочности, поверхностному блеску или прозрачности и проявляют ползучесть под нагрузкой. Кроме того, все пластики восприимчивы к воздействию ультрафиолета и солнечного света и быстро стареют под воздействием света, кислорода, тепла, воды и атмосферных условий.
6. Легко повреждается и подвержен загрязнению пылью и грязью Пластики имеют относительно низкую твердость поверхности и легко повреждаются. Кроме того, будучи изоляторами, они переносят статическое электричество, что делает их склонными к притягиванию пыли.
7. Плохая размерная стабильность По сравнению с металлами, пластмассы имеют высокую скорость усадки и легко подвержены влиянию параметров процесса литья под давлением. Это приводит к значительным колебаниям, которые трудно контролировать, что снижает размерную точность формованных пластиковых изделий. Кроме того, пластиковые изделия могут впитывать влагу во время использования, а при изменении температуры их размеры склонны меняться с течением времени.
1.2 Состав пластмасс
Основным компонентом пластмасс является ряд смол, которые являются полимерами. Однако пластмассы и полимеры — это не одно и то же. Чистые полимеры часто не могут соответствовать требованиям обработки, формования и практического использования. Они, как правило, не используются по отдельности, а приобретают промышленную ценность только при включении добавок. Пластмассы сочетают синтетический ReResinith с различными добавками (вспомогательными агентами) в качестве основного компонента. Синтетические ReResinetermines являются фундаментальными свойствами пластмассовых изделий. Их роль заключается в связывании различных добавок в единое целое. Добавки вводятся для улучшения производительности обработки и формования пластмассы, улучшения свойств конечного продукта или снижения производственных затрат.
Пластиковые материалы содержат множество добавок, таких как наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы, отвердители и антиоксиданты. Хотя RResin играет решающую роль в эксплуатационных характеристиках пластика, вклад добавок нельзя недооценивать. Вместе они образуют полную систему материалов, используемых в пластике.
1.2.1 Смолаesin — это полимер, который размягчается при нагревании и имеет тенденцию течь под воздействием внешних сил. Это самый важный компонент пластика, который действует как связующее вещество, также называемое клеевым материалом. Смола определяет тип и основные свойства пластика, включая термические, физические, химические, механические и электрические свойства.
1.2.2 Добавки
(1) Наполнители
Наполнители, также известные как армирующие агенты, являются важными компонентами в пластмассах, хотя и не обязательны для каждого типа. Обычно это инертные порошкообразные вещества. Наполнители добавляются в пластмассы для улучшения характеристик формования и обработки, улучшения определенных свойств продукта, придания новых свойств и снижения затрат.
Например, добавление древесного порошка к фенольному ReResine снижает хрупкость и стоимость. Кальциевые наполнители, добавленные к полиэтиленовым и поливинилхлоридным смолам, создают жесткие, термостойкие, недорогие пластики на основе кальция. Стекловолокно в качестве наполнителя значительно улучшает механические свойства пластиков. Некоторые наполнители могут даже придавать пластикам свойства, отсутствующие в ReResin, такие как проводимость, магнетизм или теплопроводность.
Наполнители можно разделить на неорганические и органические, они выпускаются в трех формах: порошкообразные, волокнистые и хлопьевидные. Пудровый Наполнители включают древесный порошок, целлюлозу, мрамор, тальк, слюду, асбест и графит. Волокнистые наполнители включают хлопок, лен, стекловолокно, асбестовое волокно, углеродное волокно, борное волокно и металлические усы. Чешуйчатые наполнители включают бумагу, хлопок, лен и стеклоткань. Наполнитель обычно составляет менее 40% от общего состава пластмасс.
Наполнители сферической или кубической формы обычно улучшают производительность формования и обработки, но приводят к снижению механической прочности, тогда как наполнители в форме хлопьев оказывают противоположный эффект. Чем мельче частицы наполнителя, тем больше они улучшают жесткость, ударопрочность, прочность на разрыв, стабильность и внешний вид пластиковых изделий.
(2) Пластификаторы
Пластификаторы — это низколетучие, высококипящие органические соединения, совместимые со смолами. Они повышают пластичность и гибкость, улучшают производительность формования и снижают жесткость и хрупкость. Они снижают межмолекулярные силы внутри полимеров, делая молекулы смолы более подвижными и позволяя пластикам стать более гибкими и пластичными при более низких температурах.
Например, добавление дибутилфталата к поливинилхлоридной смоле превращает ее в мягкий, резиноподобный пластик. Однако, хотя пластификаторы улучшают характеристики формования и обработки пластика, они также могут ухудшить определенные свойства, такие как стабильность, диэлектрические характеристики и механическая прочность. Поэтому количество добавляемого пластификатора следует по возможности минимизировать, и многие пластики не требуют пластификаторов.
Требования к пластификаторам:
- Хорошая совместимость с ReResinНизкая летучесть, что предотвращает его вымывание из пластиковых изделий.
- Нетоксичный, бесцветный и не имеет запаха.
- Стабилен к воздействию света и тепла.
- Негигроскопичен.
Обычно используемые пластификаторы включают дибутилфталат (ДБФ), диоктилфталат (ДОФ) и камфору.
(3) Красители
Большинство синтетических смол от природы белые и полупрозрачные или бесцветные и прозрачные. Красители часто добавляются в процессе промышленного производства для производства пластиковых изделий с различными желаемыми цветами, чтобы изменить исходный цвет RResin и получить яркие, эстетически приятные продукты. Некоторые красители также могут повышать свето- и термостойкость пластика. Например, окрашивание натурального полиоксиметиленового пластика сажей может помочь предотвратить фотостарение.
Красители в основном делятся на пигменты и красители. Пигменты — это красители, которые не растворяются в обычных растворителях и требуют механических методов для равномерного распределения их в пластике для достижения желаемого эффекта окраски. Пигменты можно разделить на органические и неорганические типы. Неорганические пигменты обладают превосходной термической и световой стабильностью и относительно недороги, но имеют более низкую прочность окраски и более высокую плотность (например, натриевый кармазин, серно-индолиновый желтый, пигментный синий, углеродная сажа).
Органические пигменты обладают высокой красящей силой, яркими цветами, полным диапазоном цветов и более низкой плотностью. Однако их недостатками являются более низкая термостойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям и непрозрачность по сравнению с неорганическими пигментами (например, хромовый желтый, оксид хрома, свинцовый порошок). Красители — это органические соединения, которые растворяются в большинстве растворителей и могут использоваться для окрашивания пластмасс. Они обладают такими преимуществами, как низкая плотность, высокая красящая сила и хорошая прозрачность, но их небольшие молекулярные структуры часто приводят к миграции во время окрашивания (например, Solvent Blue).
Требования к красителям: Красители должны обладать сильной красящей способностью, хорошей совместимостью со смолами и быть химически стабильными, не реагируя с другими компонентами пластика. Они должны противостоять деградации и обесцвечиванию во время формования при различных температурах и давлениях и сохранять стабильность в течение длительного использования пластиковых изделий.
Чтобы выполнить эти требования и обеспечить оптимальную окраску, машины для цветных мастербатчей играют решающую роль в процессе окрашивания пластика. Эти машины точно измеряют и равномерно распределяют пигменты и красители, обеспечивая желаемые цветовые эффекты в пластиковых изделиях. Для нерастворимых пигментов, особенно неорганических, эффективные системы смешивания машин для цветных мастербатчей преодолевают проблемы дисперсии, достигая равномерного окрашивания. Кроме того, их функции контроля температуры защищают органические пигменты и красители от деградации и обесцвечивания во время высокотемпературной обработки, сохраняя стабильность и качество цветных пластиковых изделий.
(4) Стабилизаторы
В процессе обработки и использования смолы могут подвергаться старению, также известному как деградация. Деградация относится к реакциям, в которых молекулярные цепи полимера разрываются или его химическая структура изменяется в худшую сторону под воздействием тепла, силы, кислорода, воды, света или радиации. Стабилизаторы добавляются в полимеры для сохранения их химических свойств и предотвращения деградации или сшивания, вызванных внешними факторами, такими как тепло, свет, кислород и плесень.
Стабилизаторы классифицируются в зависимости от их функций, включая термостабилизаторы, светостабилизаторы и антиоксиданты:
- Thermal Stabilize подавляет термическую деградацию во время формования пластика, обеспечивая плавную обработку и высокое качество продукции. Органические соединения олова, которые нетоксичны, но дороги, обычно используются в ПВХ-пластиках.
- Светостабилизаторы предотвращают деградацию и потерю производительности в пластике, вызванную солнечным светом, искусственным светом или высокоэнергетическим излучением. Распространенные типы включают в себя поглотители ультрафиолета (например, эфиры бензойной кислоты) и светоблокирующие агенты (например, сажа).
- Антиоксиданты: Они предотвращают окисление и деградацию пластика при высоких температурах. Органические соединения на основе фенола и амина часто используются в качестве антиоксидантов.
Большинству пластиков требуются стабилизаторы, составляющие от 0,3% до 0,5% от общего количества материала. Требования к стабилизаторам: стабилизаторы должны быть совместимы со смолами, эффективно стабилизировать полимеры и противостоять воде, маслу и химической коррозии. Они также не должны разрушаться во время формования, иметь низкую летучесть и не влиять на цвет пластика.
(5) Отвердители
Для формования термореактивных пластмасс используются отвердители, упрочнители или сшивающие агенты. Линейные полимерные структуры в синтетических смолах требуют реакций сшивания для преобразования в трехмерную полимерную сеть, а отвердители облегчают эти реакции. Например, этилендиамин и триэтаноламин обычно добавляют в эпоксидные смолы.
Другие добавки, такие как пенообразователи, антипирены, антистатики, проводящие агенты и магнитные агенты, могут быть включены в пластмассы в зависимости от требований. Например, антипирены снижают воспламеняемость пластмасс, пенообразователи производят пенопласты, а антистатики обеспечивают умеренную проводимость для устранения статического электричества. Выбор добавок и их типов зависит от типа пластмассы и конкретных требований к применению пластмассового изделия.
1.3.Классификация пластмасс
Существует множество видов пластика, и в настоящее время во всем мире разработано более десяти тысяч перерабатываемых пластиковых материалов (включая модифицированные пластики), из которых более 300 широко используются. Пластик можно классифицировать различными способами, наиболее распространенными из которых являются следующие:
(1) Классификация на основе молекулярной структуры смолы и термического поведения
В зависимости от молекулярной структуры reResin и ее поведения при нагревании пластмассы можно разделить на две основные категории: термопласты и термореактивные пластмассы.
① Термопласты
Молекулярная структура термопластичных смол линейная или разветвленная, обычно называемая линейными полимерами. При нагревании их можно формовать в определенные формы, которые сохраняют свою форму при охлаждении. Они могут размягчаться и плавиться при повторном нагревании, что позволяет переформовывать их в новые продукты. Этот процесс можно повторять многократно, демонстрируя обратимость. Обычно во время формования не происходит никаких химических изменений, только физические изменения. Благодаря обратимым свойствам термопластов отходы и лом, образующиеся при переработке пластмасс, можно перерабатывать, измельчая их в гранулы и смешивая с сырьем для повторного использования.
Термопластики можно разделить на два типа: кристаллические пластики и аморфные пластики. Кристаллические пластики имеют молекулярные цепи, расположенные упорядоченным, стабильным и компактным образом. Аморфные пластики имеют молекулярные цепи, расположенные неупорядоченным и хаотичным образом r. В результате кристаллические пластики, как правило, более термостойкие, непрозрачные и имеют более высокую механическую прочность, в то время как аморфные пластики демонстрируют противоположные свойства. Обычные кристаллические пластики включают полиэтилен, полипропилен и полиамид (нейлон). Распространенные аморфные пластики включают полистирол, поливинилхлорид (ПВХ) и АБС.
С точки зрения внешнего вида кристаллические пластики обычно непрозрачны или полупрозрачны, а аморфные пластики прозрачны. Однако есть исключения, такие как поли(4-метилпентен-1), кристаллический пластик с высокой прозрачностью, и АБС, непрозрачный аморфный пластик.
② Термореактивные пластмассы
Термореактивные пластмассы изначально имеют цепочечную или разветвленную молекулярную структуру и проявляют как пластичность, так и плавкость, что позволяет им формоваться в определенные формы. При дальнейшем нагревании между ведущими цепями этих молекулярных структур образуются химические связи, постепенно создавая сетевую структуру посредством процесса, известного как сшивание.
По мере повышения температуры до определенного уровня реакция сшивания прогрессирует дальше, и молекулы в конечном итоге образуют трехмерную структуру — этот процесс, известный как отверждение, приводит к получению материала, который не плавится и не растворяется. При повторном нагревании форма пластикового изделия остается фиксированной из-за химических реакций между молекулярными цепями. Термореактивные пластмассы теряют свою пластичность и не могут быть изменены даже при высоких температурах, в конечном итоге обугливаются или карбонизируются при чрезвычайно высоких температурах. Этот процесс необратим, и во время формования происходят физические и химические изменения. Термореактивные пластмассы не могут быть переработаны или использованы повторно.
Термореактивные пластмассы обладают лучшей термостойкостью по сравнению с термопластами. Примерами термореактивных пластмасс являются фенольные смолы, меламиноформальдегидные смолы и ненасыщенные полиэфирные смолы.
Термопласты обычно формуются методами литья под давлением, экструзии или выдувного формования, в то время как термореактивные пластмассы обычно используются методами компрессионного формования и литьевого прессования, хотя также может использоваться литье под давлением.
Поскольку пластмассы в основном состоят из полимеров с высокой молекулярной массой, их часто называют по имени используемого полимера. Однако названия пластмасс обычно длинные и неудобные как для устной речи, так и для письменной речи. Поэтому обычно используются международно признанные английские сокращения. Сокращения и названия термореактивных и термопластичных пластмасс можно найти в Приложении 1.
(2) Классификация на основе свойств пластика и областей применения
Пластмассы можно разделить на пластмассы общего назначения, инженерные и специальные в зависимости от их свойств и областей применения.
① Пластики общего назначения
Пластики общего назначения производятся в больших количествах, имеют широкое применение, являются недорогими и хорошо работают. Обычно они используются в качестве неструктурных материалов. Шесть всемирно признанных пластиков общего назначения — это полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, фенольные пластики и аминопластики. На эти пластики приходится более 75% от общего мирового производства пластика, и они составляют основу индустрии пластика.
② Инженерные пластики
Инженерные пластики обычно относятся к промышленным пластикам, которые используются для изготовления механических деталей или конструкционных материалов. Помимо высокой механической прочности, эти пластики обладают превосходной износостойкостью, коррозионной стойкостью, термостойкостью, самосмазываемостью и размерной стабильностью по сравнению с пластиками общего назначения. Они обладают специфическими металлическими характеристиками и широко используются в машиностроении, легкой промышленности, электронике, товарах повседневного спроса, аэрокосмической промышленности, ракетах и ядерной энергетике, все чаще заменяя металлы в определенных механических компонентах.
В настоящее время наиболее часто используемые инженерные пластики включают полиамиды (PA), полиоксиметилен (POM), поликарбонат (PC), ABS, полисульфон (PSU), полифениленоксид (PPO) и политетрафторэтилен (PTFE). Первые четыре являются наиболее быстрорастущими и признаны на международном уровне как четыре основных инженерных пластика.
③ Специальные пластики (функциональные пластики)
Специальные пластики имеют особые функции и подходят для специальных применений. К ним относятся медицинские пластики, фоточувствительные пластики, магнитные пластики, сверхпроводящие пластики, радиационно-стойкие пластики и пластики, устойчивые к высоким температурам. Их основными компонентами являются смолы, которые могут быть специально синтезированы или получены путем обработки или модификации пластиков общего назначения или инженерных пластиков для получения уникальных свойств. Эти пластики производятся в небольших количествах, имеют отличные эксплуатационные характеристики и являются дорогими.
По мере расширения сферы применения пластика граница между инженерными и пластиками общего назначения становится все более размытой. Например, поливинилхлорид общего назначения (ПВХ) широко используется в химическом машиностроении как коррозионно-стойкий материал.
(3) Классификация, основанная на кристаллической морфологии
Пластмассы обычно можно разделить на кристаллические и некристаллические (аморфные) пластмассы в зависимости от их кристаллической морфологии.
Кристаллические пластики относятся к пластикам, молекулы которых могут образовывать геометрическую структуру при подходящих условиях (например, ПЭ, ПП, ПА, ПОМ, ПЭТ, ПБТ). Большинство кристаллических пластиков являются частично кристаллическими.
Некристаллические пластики относятся к тем, чьи молекулярные формы и расположения не образуют кристаллическую структуру, а остаются неупорядоченными (например, ABS, PC, PVC, PS, PMMA, EVA, AS). Некристаллические пластики также известны как аморфные пластики. Аморфные пластики проявляют изотропию, то есть их механические свойства однородны во всех направлениях.
Требования к машинам для литья под давлением и пресс-формам для кристаллических пластмасс:
- Более высокий расход энергии: Кристаллические пластики требуют больше энергии для разрушения кристаллической решетки во время плавления. Следовательно, литьевая машина должна иметь более высокую пластифицирующую способность, а номинальный объем впрыска должен быть соответственно увеличен.
- Узкий диапазон температур плавления: для предотвращения кристаллизации и закупорки сопла при падении температуры следует соответствующим образом увеличить диаметр сопла и установить нагревательный элемент с независимым контролем температуры.
- Равномерная температура формы: Поскольку температура формы существенно влияет на степень кристалличности, система охлаждения формы должна включать как можно больше водяных каналов, чтобы обеспечить равномерную температуру формы во время формования.
- Высокая скорость усадки: Кристаллические пластики подвергаются значительной объемной усадке во время кристаллизации, что приводит к более высокой скорости усадки при формовании. Это необходимо тщательно учитывать при проектировании пресс-формы.
- Анизотропия и внутреннее напряжение: Из-за выраженной анизотропии кристаллических пластиков они генерируют высокое внутреннее напряжение. Проектирование пресс-формы должно учитывать расположение и размер литников и ребер, чтобы избежать коробления или деформации, которые может быть трудно исправить позже с помощью корректировки процесса.
- Толщина стенок и кристалличность: Более толстые пластиковые детали остывают медленнее, что приводит к более высокой кристалличности, более значительной усадке и повышенной вероятности появления раковин и пустот. Конструкция пресс-формы должна тщательно контролировать толщину стенок пластиковых деталей.
Формовочные характеристики кристаллических пластмасс:
1. Поскольку кристаллические пластмассы выделяют тепло, необходимо полностью охладить их и тщательно контролировать время охлаждения во время высокотемпературного формования.
2. Разница в плотности огромна, усадка при формовании также значительна, легко образуются утяжины и пустоты, поэтому удерживающий пресс следует устанавливать разумно.
3. температура пресс-формы повлияет на кристалличность. Если температура формы низкая, то охлаждение игрушки происходит быстро, кристалличность низкая, усадка незначительная, а прозрачность хорошая. Но охлаждение игрушки происходит медленно для толстостенных игрушек с высокой кристалличностью, значительной усадкой и хорошими физическими свойствами. Поэтому температуру формы следует контролировать по мере необходимости.
4. Характеристики кристаллизации после формования. Некристаллизованные молекулы имеют тенденцию постепенно кристаллизоваться после извлечения из формы. Это явление вызывает энергетический дисбаланс и приводит к деформации и короблению. Для решения этой проблемы следует соответствующим образом и умеренно повысить температуру материала и формы. Следует использовать давление и скорость впрыска.
